一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料及其制备方法 (Lightweight high-strength high-ductility cement-based cementing composite material and preparation method thereof ) 是由 苟鸿翔 朱敏涛 高双双 吕恩铝 魏劼 卞成辉 于 2021-02-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料及其制备方法,所述水泥基胶凝材料按以下重量份组成：600-700份的水泥,200-300份的玻璃微珠,100-200份的硅灰,250-350份的黄砂,20-40份的轻砂,30-40份的高效减水剂,20-30份的合成纤维,230-270份的水。具体制备方法为：将600-700份的水泥,200-300份的玻璃微珠,100-200份的硅灰,250-350份的黄砂,20-40份的轻砂混合搅拌均匀,得到干料；将30-40份的高效减水剂倒入230-270份的水中搅拌均匀,加入到干料中混合搅拌均匀,得到浆料；将20-30份的合成纤维分散撒入浆料内,搅拌均匀得到轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料。本发明具有制备方法简单,原材料种类少,所制备的水泥基胶凝复合材料容重低,强度高而且抗拉应变大。(The invention discloses a light high-strength high-ductility cement-based cementing composite material and a preparation method thereof, wherein the cement-based cementing material comprises the following components in parts by weight: 700 parts of cement in 600-materials, 300 parts of glass beads in 200-materials, 200 parts of silica fume in 100-materials, 350 parts of yellow sand in 250-materials, 20-40 parts of light sand, 30-40 parts of high-efficiency water reducing agent, 20-30 parts of synthetic fiber and 270 parts of water in 230-materials. The preparation method comprises the following steps: mixing and stirring uniformly 700 parts of 600-200-parts cement, 300 parts of 200-parts glass beads, 200 parts of 100-parts silica fume, 350 parts of 250-parts yellow sand and 20-40 parts light sand to obtain a dry material; pouring 30-40 parts of the high-efficiency water reducing agent into 230-270 parts of water, uniformly stirring, adding into the dry material, and uniformly mixing and stirring to obtain slurry; and dispersing and scattering 20-30 parts of synthetic fibers into the slurry, and uniformly stirring to obtain the light high-strength high-ductility cement-based cementitious composite. The invention has the advantages of simple preparation method, few raw material types, low volume weight of the prepared cement-based cementing composite material, high strength and large tensile strain.)
技术领域
本发明属于水泥基胶凝材料制备技术领域，具体涉及一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料及其制备方法。
背景技术
高延性水泥基胶凝复合材料是在水泥基材料中添加某些性能良好的短纤维而形成的高韧性复合材料，仅在纤维体积掺量为2.0％左右的情况下，所得的复合材料在其硬化后可以表现出显著的应变硬化特性，极限拉应变可稳定地达到3％以上，表现出良好的抗裂性和韧性，同时高延性水泥基胶凝复合材料在荷载作用下裂缝的分布呈现条数多、宽度小、发展慢、能量释放出口多的特点。这种纤维增强水泥基胶凝复合材料可大大改善基材性质，提高基材的抗裂、抗渗、抗冲击韧性及耐久、耐高温、耐腐蚀等性能，故近年来受到工程界人士的关注，成为工程材料研究的热点之一。
而在高层、超高层建筑结构、大跨度桥梁和城市立交桥及海洋工程中，为了减轻结构自重并减少工程造价，轻质高强混凝土得到广泛的应用。目前混凝土中主要采用的轻骨料为陶粒、膨胀粘土和膨胀页岩等轻质多孔材料，这些材料的使用能够显著降低混凝土的容重，但同时也容易导致轻集料浮于拌合物表面和裂缝拓展更快等问题。因此有必要研发一种性能更加优异的轻质多孔细骨料解决目前轻骨料所存在的问题，同时将高延性这一优异的性能运用到轻质高强混凝土中，能够提高轻质高强混凝土的匀质性，并显著改善混凝土的抗裂性、抗冲击性和抗震性等耐久性能，成为一种优异的多功能型工程水泥基胶凝复合材料。
公开号CN 109761564 A公开了一种轻质高延性水泥基胶凝复合材料，该水泥基胶凝复合材料按照重量份计数包含水泥334-442份、粉煤灰223-552份、硅灰76-78份、膨胀珍珠岩8.5-8.6份、漂珠127-129份、高效减水剂19.3-19.5份、减缩剂28.9-29.3份、增稠剂1.16-1.17份、玻璃纤维7.1-11.9份、矿粉0.1-234份以及早强剂0.1-20份，制备出了容重不高于1400kg/m3，抗折强度高于5MPa，抗压强度高于20MPa的水泥基胶凝复合材料。但该发明原材料种类繁多，成本较高，抗压强度和抗折强度偏低，并且没有直观评价水泥基胶凝材料延性的单轴抗拉应力应变测试结果。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料，能够在降低水泥基胶凝材料自重的同时，保持良好的力学性能及延展性能。此外，本发明还要提供一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料的制备方法，该方法制备过程简单，原材料种类少，所制备得到的水泥基胶凝复合材料容重低，抗压强度和抗拉强度等力学性能优异，具有很高的断裂延展性和韧性，并且抗裂抗震以及耐火耐冻等耐久性也有很大提升。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料，按照重量份计，由以下各组分组成：水泥600-700份、玻璃微珠200-300份、硅灰100-200份、黄砂250-350份、轻砂20-40份、高效减水剂30-40份、合成纤维20-30份、水230-270份；所述玻璃微珠为多孔的硼硅酸盐类球体，比表面积为120m2/kg，堆积密度为256kg/m3，表观密度为400kg/m3，粒径分布主要范围在100-250μm之间，所述黄砂为中砂，细度模数为2.5，平均粒径为0.35-0.5mm，堆积密度为1480kg/m3。
进一步地，所述轻砂的制备方法包括以下步骤：
步骤一、采用颚式粉碎机对煤渣、白云石和珍珠岩进行粉碎处理，粉碎物倒入球磨机中球磨4-5h后将所得粉体过350目筛。其中煤渣、白云石和珍珠岩的质量比为10:1:2，煤渣为轻砂的主要成分，白云石主要用来产生轻砂的孔隙，珍珠岩作为辅助填充材料；
步骤二、将所得粉体加入到造粒机中进行搅拌，搅拌速度为150r/min，在搅拌过程中喷洒进占粉体质量3％的水雾，在颗粒的粒径介于80目到120目之间停止搅拌，得到半成品颗粒；
步骤三、将半成品颗粒转入烘干窑中，保持温度为105±5℃烘2h,冷却至室温后筛除小于80目的颗粒，得到半成品轻砂；
步骤四、将半成品轻砂转入回转窑中进行煅烧，回转窑的转速为250r/min，并以10℃/min的速度升温至980℃，保持1-1.5h，然后再升温至1100℃，保持2h；
步骤五、将煅烧后的半成品轻砂采用自然冷却的方式进行降温处理，冷却至室温后得到成品轻砂。
所制备的轻砂堆积密度仅为300-400kg/m3，颗粒细小，粒径分布主要在0.08-0.135mm之间，其表面及内部均匀分布微小孔隙，比表面积高达2300m2/kg。
通过采用上述技术方案，轻砂轻质多孔的特点能减少水泥基胶凝复合材料的容重，并且其较大的比表面积更容易吸收水分益于水泥基胶凝复合材料的内部养护而且还提供了大量的水化反应位点，从而提高水化反应程度；玻璃微珠也具有轻质多孔的球状特点，能大幅度降低水泥基胶凝复合材料的容重，并且球状形貌能提高浆体的流动度；另外，使用高效减水剂来减少水的用量，并增加新拌水泥基胶凝复合材料的工作性能；高弹模高强聚乙烯醇纤维用来提高水泥基胶凝复合材料的韧性和抗拉强度等力学性能以及抗裂耐热等耐久性能。
进一步地，由以下各组分组成，水泥700份、玻璃微珠250份、硅灰200份、黄砂250份、轻砂40份、高效减水剂32份、合成纤维26份、水240份。
进一步地，由以下各组分组成：水泥700份、玻璃微珠250份、硅灰200份、黄砂300份、轻砂32份、高效减水剂31份、合成纤维26份、水240份。
进一步地，由以下各组分组成：水泥700份、玻璃微珠250份、硅灰200份、黄砂350份、轻砂24份、高效减水剂30份、合成纤维26份、水240份。
进一步地，所述水泥为普通硅酸盐水泥，28d抗压强度≥52.5MPa，真密度为3050kg/m3，堆积密度为1253kg/m3，比表面积为455m2/kg。
进一步地，所述硅灰活性指数大于95％，真密度为1950kg/m3，堆积密度为390kg/m3，比表面积为22000m2/kg，粒径分布主要位于0.1-0.3μm之间。
进一步地，所述高效减水剂为PCA型聚羧酸减水剂，减水率＞30％，密度为1050-1110kg/m3。
进一步地，所述合成纤维为高弹模高强聚乙烯醇纤维，长度为12mm，直径为0.04mm，密度为970kg/m3，抗拉强度为1600MPa，弹性模量为38GPa。
本发明的第二方面，提供一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料的制备方法，用于制备上述的轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料，包括以下步骤：
步骤一、按重量份称取水泥、玻璃微珠、硅灰、黄砂、轻砂、高效减水剂、合成纤维、水；
步骤二、将水泥、玻璃微珠、硅灰、黄砂、轻砂混合搅拌均匀，得到干料A；
步骤三、将高效减水剂加入水中搅拌均匀，加入干料A中，混合搅拌均匀，得到浆料B；
步骤四、将合成纤维分散撒入浆料B内，搅拌均匀得到轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用特制的轻砂，相比普通的陶砂等轻质细骨料，拥有质量更轻，粒径更小，孔隙更多等优点，是制备轻质高强混凝土更优质的原材料。
(2)本发明所使用的原材料中，采用轻砂和玻璃微珠等体积替代粉煤灰的使用，能大幅度降低水泥基胶凝复合材料的容重，并且本发明制备得到的轻砂的高比表面积和高吸水性等特点使其既能提供水化反应点位，又能提供内部养护条件，从而提高胶凝材料的水化反应程度。本发明制备的水泥基胶凝复合材料容重最低仅为1436kg/m3，抗压强度最高能达到45.9MPa。
(3)本发明中采用的高弹模高强聚乙烯醇纤维能显著增大水泥基胶凝复合材料的韧性和抗拉性能，大幅改善水泥基胶凝复合材料的力学性能和裂缝宽度，提高其耐久性。本发明制备的水泥基胶凝复合材料应变率可达4.6％，抗拉强度可达4.1MPa。
(4)本发明中所需原材料种类少，工艺流程简单，制备成本较低。
附图说明
图1是实施例2中轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料抗拉应力应变图；
图2是实施例4中轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料抗拉应力应变图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料，按照重量份计，由以下各组分组成：水泥600-700份、玻璃微珠200-300份、硅灰100-200份、黄砂250-350份、轻砂20-40份、高效减水剂30-40份、合成纤维20-30份、水230-270份；所述玻璃微珠为多孔的硼硅酸盐类球体，比表面积为120m2/kg，堆积密度为256kg/m3，表观密度为400kg/m3，粒径分布主要范围在100-250μm之间，所述黄砂为中砂，细度模数为2.5，平均粒径为0.35-0.5mm，堆积密度为1480kg/m3。所述水泥为普通硅酸盐水泥，28d抗压强度≥52.5MPa，真密度为3050kg/m3，堆积密度为1253kg/m3，比表面积为455m2/kg。所述硅灰活性指数大于95％，真密度为1950kg/m3，堆积密度为390kg/m3，比表面积为22000m2/kg，粒径分布主要位于0.1-0.3μm之间。所述轻砂堆积密度为300-400kg/m3，粒径分布主要在0.08-0.135mm之间，比表面积达2300m2/kg。所述高效减水剂为PCA型聚羧酸减水剂，减水率＞30％，密度为1050-1110kg/m3。所述合成纤维为高弹模高强聚乙烯醇纤维，长度为12mm，直径为0.04mm，密度为970kg/m3，抗拉强度为1600MPa，弹性模量为38GPa。
实施例中所使用的原材料若非特指，均为公知的，市售化工原料。
实施例1
本实施例提供一种轻砂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、采用颚式粉碎机对煤渣、白云石和珍珠岩进行粉碎处理，粉碎物倒入球磨机中球磨4-5h后将所得粉体过350目筛。其中煤渣、白云石和珍珠岩的质量比为10:1:2，煤渣为轻砂的主要成分，白云石主要用来产生轻砂的孔隙，珍珠岩作为辅助填充材料；
步骤二、将所得粉体加入到造粒机中进行搅拌，搅拌速度为150r/min，在搅拌过程中喷洒进占粉体质量3％的水雾，在颗粒的粒径介于80目到120目之间停止搅拌，得到半成品颗粒；
步骤三、将半成品颗粒转入烘干窑中，保持温度为105±5℃烘2h,冷却至室温后筛除小于80目的颗粒，得到半成品轻砂；
步骤四、将半成品轻砂转入回转窑中进行煅烧，回转窑的转速为250r/min，并以10℃/min的速度升温至980℃，保持1-1.5h，然后再升温至1100℃，保持2h；
步骤五、将煅烧后的半成品轻砂采用自然冷却的方式进行降温处理，冷却至室温后得到成品轻砂。
所制备的轻砂堆积密度仅为300-400kg/m3，颗粒细小，粒径分布主要在0.08-0.135mm之间，其表面及内部均匀分布微小孔隙，比表面积高达2300m2/kg，是制备轻质高强混凝土更优质的原材料。
实施例2
一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料，由以下的制备步骤所得：
步骤一、将700份的水泥，230份的硅灰，250份的黄砂，40份的轻砂，250份的玻璃微珠混合搅拌均匀，得到干料A1；
步骤二、将32份的高效减水剂倒入240份的水中搅拌均匀，加入到干料A1中混合搅拌均匀，得到浆料B1；
步骤三、将26份的聚乙烯醇纤维分散撒入浆料B1内，搅拌均匀得到轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料。图1为实施例1中轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料抗拉应力应变图。
实施例3
一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料，由以下的制备步骤所得：
步骤一、将700份的水泥，230份的硅灰，300份的黄砂，32份的轻砂，250份的玻璃微珠混合搅拌均匀，得到干料A1；
步骤二、将31份的高效减水剂倒入240份的水中搅拌均匀，加入到干料A1中混合搅拌均匀，得到浆料B1；
步骤三、将26份的聚乙烯醇纤维分散撒入浆料B1内，搅拌均匀得到轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料。
实施例4
一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料，由以下的制备步骤所得：
步骤一、将700份的水泥，230份的硅灰，350份的黄砂，24份的轻砂，250份的玻璃微珠混合搅拌均匀，得到干料A1；
步骤二、将30份的高效减水剂倒入240份的水中搅拌均匀，加入到干料A1中混合搅拌均匀，得到浆料B1；
步骤三、将26份的聚乙烯醇纤维分散撒入浆料B1内，搅拌均匀得到轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料。图2为实施例3中轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料抗拉应力应变图。
将实施例2及实施例4中各组分的重量份数汇总如表1。
性能检测试验
1、提供一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料的测试方法，将实施例2-4所得水泥基胶凝复合材料按照标准《Recommendations for Design and Construction ofHigh Performance Fiber Reinforced Cement Composites with Multiple Fine Cracks(HPFRCC)》(GC82)进行水泥基胶凝复合材料单轴抗拉性能测试，得到水泥基胶凝复合材料的抗拉强度和应变率。
2、提供一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料的测试方法，将实施例2-4所得水泥基胶凝复合材料按照国家标准《普通水泥基胶凝复合材料力学性能试验方法》(GB/T50081-2002)进行水泥基胶凝复合材料7d和28d抗压强度测试。
4、提供一种轻质高强高延性水泥基胶凝复合材料的测试方法，将实施例2-4所得水泥基胶凝复合材料按照标准《新浇水泥基胶凝复合材料的容重和空气含量的试验方法》(JIS A1116-1998)进行水泥基胶凝复合材料容重测试。
检测数据如表2所示。
实施效果：
由实施例2-4可知轻砂和玻璃微珠等体积替代黄砂和粉煤灰会大大降低水泥基胶凝复合材料的容重。同时，轻砂的内养护能力和较大的比表面积提高胶凝材料的水化程度以及玻璃微珠也提供较高的抗压强度，从而提高水泥基胶凝复合材料的强度。而高弹模高强聚乙烯醇纤维与基体材料良好的桥接能力极大提高水泥基胶凝复合材料的抗拉应变率，显著改善水泥基胶凝复合材料的韧性。随着轻砂含量从24份增加到40份，水泥基胶凝复合材料的容重减少了207kg/m3，但是抗压强度仅下降了5.8MPa,抗拉强度也仅降低0.8MPa，而拉应变却增加了0.6％，这主要得益于轻砂的内养护作用以及更小的粒径优化了水泥基胶凝复合材料的综合性能。总的来说，本发明原材料种类少，工艺流程简单，制备得到水泥基胶凝复合材料具有质量轻、强度高和韧性好、制备成本较低的优点。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。
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